Jak polapit nukleovou kyselinu?

Všechny živé organismy na planetě Zemi mají všechny svoje vlastnosti zakódované v biologické molekule, která byla pojmenována jako deoxyribonukleová kyselina. Ve skutečnosti plán výstavby organismu určují pouze čtyři chemické sloučeniny nazvané adenin, cytosin, thymin a guanin.Všechny živé organismy na planetě Zemi mají všechny svoje vlastnosti zakódované v biologické molekule, která byla pojmenována jako deoxyribonukleová kyselina. Ve skutečnosti plán výstavby organismu určují pouze čtyři chemické sloučeniny nazvané adenin, cytosin, thymin a guanin.

Rozpoznání úplné sekvence deoxyribonukleové kyseliny člověka na počátku 21. století rozpoutá na poli biotechnologií prudkou horečku po jednoduchých postupech, jak rozpoznat známý úsek DNA. Na otázku proč je celkem jednoduchá odpověď.

Chceme znát, zda jsme ohrožení vážnou chorobou nebo jsme náchylnější k infekci nebezpečným virem nebo bakterií. Aby se taková sci-fi mohla naplnit, musí věda učinit řadu kroků a krůčků, které začínají objevem nukleových kyselin.

Těm na počátku nikdo nevěří a nepřikládá jim prakticky žádnou biologickou důležitost.

Jak to bylo s jejich objevem?Molekula deoxyribonukleové kyseliny je popsána v roce 1869, kdy se švýcarskému lékaři Miescherovi podaří izolovat DNA z bílých krvinek, obsažených v hnisu. Bohužel se mu nedaří získat dostatečně čistý vzorek na to, aby DNA mohla být dále zkoumána.

Význam molekuly DNA objasnil pokus na bakteriíchVe dvacátých letech pak britský genetik Frederick Griffith dokazuje, že je možné pneumokoky jednoho typu přeměnit v typ jiný, pokud jsou vystaveny působení zahřátého buněčného extraktu tohoto jiného typu a že tato změna je trvalá a dědičná.

Griffith má k dispozici dva kmeny pneumokoků. Jeden typ s vnějším pouzdrem (při kultivaci buňky rostly jako drsné kolonie) nebo bez pouzdra (kolonie byly hladké). Kmen pneumokoka s hladkými koloniemi je velmi viruletní (způsobí onemocnění).

Naočkované myši velmi rychle umírají na infekci. Zajímavé je, že kmeny, tvořící drsné kolonie, myším smrt nezpůsobí. Při experimentu s injikovaným pneumokokem z drsných kolonií a teplem usmrcených buněk z hladkého pneumokoka zjišťuje, že myši také rychle uhynou.

Co navíc, je možné izolovat z těchto myší pneumokoky, tvořící hladké kolonie. Na tomto pokusu postaví další experimentální práci tři vědci z Rockefellerova ústavu v USA – Avery, McLeod a McCarthy. Ti o 15 let později zkoumají, co zapříčinilo takovou změnu.

Podaří se jim dokázat, že za touto změnou stojí molekula DNA a nikoliv bílkoviny, jak se obecně soudilo. Tím je role DNA v mechanismu dědičnosti prokázána.

Nalezení struktury DNAObjevit charakteristickou strukturu DNA se podaří až v roce 1953 dvěma vědcům z Cambridge (Jamesi Watsonovi a Francisi Crickovi). Pro odhalení struktury DNA využívají rentgenovou strukturní analýzu.

Model DNA sestavují 28. března 1953. V roce 1962 obdrží společně Nobelovu cenu za fyziologii a lékařství.

Kolik druhů je nukleových kyselin?Věda na počátku 21.století posunuje znalosti o biologických informačních molekulách a nyní je již velmi obtížné určovat, která z nich je významnější. Ve všech živých organismech nalezneme dva druhy nukleových kyselin, a to deoxyribonukleovou kyselinu (DNA) a kyselinu ribonukleovou (RNA).

Na základě rozborů nukleových kyselin se zjistí, že obsahují 15 % dusíku a 9–10 % fosforu. Velmi významnou vlastností nukleových kyselin je také schopnost srážení v přítomnosti alkoholu. Chemicky je rozdíl pouze v záměně jedné funkční skupiny na molekule cukru.

Se strukturou to není tak jednoznačnéWatson a Crick popíší, že molekula DNA v živých organismech vytváří dvojšroubovici. Nyní víme, že molekuly DNA jsou sice většinou dvojšroubovice, ale u některých virů se objevují i jako jednovláknové molekuly.

Molekuly RNA jsou většinou jednořetězcové, ale u virů mohou být také dvouřetězcové.

Kde jsou uloženy a jaký mají význam?Nukleové kyseliny jsou uloženy v buňkách. S uložením molekuly DNA to není tak jednoduché a řetízky (vlákna) se splétají a vytvářejí dvojitou šroubovici. Zaplétání pokračuje, až za spoluúčasti řady proteinů vznikne útvar, kterému říkáme chromozom.

Molekuly DNA u bakterií jsou uloženy přímo v cytoplazmě buněk a nemají kolem sebe žádnou další ochrannou vrstvu vytvořenou z biologické membrány. U virů je nukleová kyselina velmi často dobře chráněna útvary, kterým se říká kapsidy.

Smysl je naprosto zřejmý – uchránit nukleovou kyselinu před vnějším vlivem do doby, než se bude moci množit. U buněk vyšších organismů je molekula DNA uložena v buněčném jádře. Sama struktura buněčného jádra je velmi složitá, a jak se ukazuje z posledních výzkumů, není tak stálá a pevná, jak jsme si doposud mysleli.

Zkuste se podívat na nukleovou kyselinuChcete se podívat, jak vypadá nukleová kyselina? Udělejte si jednoduchý pokus. V řeznictví si kupte kousek prasečí nebo hovězí sleziny. Tu pečlivě rozkrájejte a dejte do pevné misky.

Pomocí vařečky roztírejte v roztoku soli (10%, tj. 10g/100 ml vody). Předejte (??) přibližně desetinásobek množství sleziny. Opatrně se pokuste oddělit kapalinu od zbylých částí sleziny. Ke kapalině postupně přidávejte ledovou tříšť.

Nyní vezmete obyčejnou špejli a budete jí krouživě pohybovat v roztoku. Během chvíle se na špejli začnou namotávat bílá vlákna molekuly DNA.

Magnetické částice pro snadnější zachyceníPro zachycení velmi malého množství DNA by nám však špejle nestačila. Proto jsou hledány důmyslnější způsoby, jak to udělat. Jedna z technologií je založena na magnetických částicích.

Magnetické částice mají velikosti 5 nm–100 µm a jsou z kovového jádra (železa nebo i zlata). Na povrch takové částice je možné chemicky upevnit další molekuly, které nám usnadní zachycení námi hledané nukleové kyseliny.

Výsledek je pak zaručený, zachytíte hledanou nukleovou kyselinu.

Jak probíhá taková izolace? Magnetické částice se přidají ke vzorku, kde na sebe navážou námi hledané molekuly. Třeba tak můžeme hledat přítomnost viru ptačí chřipky nebo HIV. Následně se magnetické částice s navázanou molekulou nukleové kyselinou přitáhnou magnetem ke stěně zkumavky a zbylý roztok s nenavázanými a dalšími látkami se snadno odstraní.

Následuje pečlivé promývání a konečné uvolnění magnetických částic i s navázanými molekulami do námi přidaného roztoku. Dalším krokem je oddělení zachycené nukleové kyseliny od magnetické částice (to je možné zahřáním na vyšší teplotu).

Zachycené molekuly na povrchu magnetické částice se uvolní a je nyní je již snadné je identifikovat.

Jaké to má výhody?Výhody magnetických částic jsou velké. Vlastní vzorek (tkáň, krev) se nemusí složitě upravovat (odstřeďováním, dialýzou apod.), jak je tomu u běžných metod zachycení nukleové kyseliny.

Vynecháním těchto kroků se podstatně zkracuje čas získání cílených biomolekul a navíc se zmenší riziko jejich případného fyzikálního nebo biologického poškození. Získání času může být pak rozhodující například při biologickém teroristickém útoku.

Široké spektrum využitíAnalýza DNA představuje revoluci v biologii. Umožnila zkoumání a porovnávání živočišných a rostlinných druhů. Pomocníkem je v určení biologického otcovství. Policie se bez metod molekulární biologie již neobejde.

V oblasti hledání genetických chorob je pak analýza DNA zcela nezbytná a určující. Dnes se jde ještě dál a cílem je předpovídat riziko vzniku nemoci. Významně se rozvíjí například nové technologie, zvané DNA čipy a čtení genomů.

Více se dozvíte:Rosypal S. a kol: Úvod do molekulární biologie, tisk Grafex 2002.Klouda P.: Základy biochemie, Vydavatelství Pavel Klouda, 2000.Klouda P.: Moderní analytické metody, Vydavatelství Pavel Klouda, 2003Huska D. a kol: Využití paramagnetických částic pro izolaci mRNA, CHEMagazín, 18, č.

3, 14–15 (2008)Kizek R.: Jak rychle rozpoznat nádor, 21. století, č. 1, 93–95 (2006).Kizek R., Adam V., Huska D.: Jak se čte genom, rádio Leonardo (4. 5. 2007, redaktor Hana Staňková) http://media.rozhlas.cz/_audio/00540594.

mp3 Jak se izoluje nukleová kyselina?Běžný postup izolace nukleových kyselin je následující. Vzorek tkáně, pletiva (musí obsahovat nukleovou kyselinu) je nejdříve dokonale rozetřen v přítomnosti běžných vodných roztoků solí.

Takto připravený vzorek je zbaven zbylých velkých částí odstředěním na centrifuze. Vzniklá horní část je odebrána a jsou k ní přidány chemikálie odstraňující proteiny. Po proběhlé reakci je získán průhledný roztok obsahující pouze čistou nukleovou kyselinu.

Nyní je potřebné tuto nukleovou kyselinu převést do pevného skupenství. To se podaří přidáním vychlazeného ethanolu. Po několika minutách se objevují bílá vlákna nukleové kyseliny. Po dalším odstřední je na dně zkumavky izolovaná nukleová kyselina.

Co je to genom?Genom je veškerá genetická informace uložená v DNA (u některých virů v RNA) konkrétního organismu. Zahrnuje všechny geny a nekódující sekvence.Přesněji řečeno, genom organismu je kompletní sekvence DNA jedné sady chromozómů.

V čem se odstřeďuje?Odstředivka (centrifuga) je zařízení, které umožňuje díky působení odstředivé síly oddělit látky těžší od lehčích. Vzorky se umístí do speciálního většinou titanového talíře (rotoru).

Moderní centrifugy jsou plně automatické s nastavitelnou intenzitou otáček a teploty.

Pomáhá i elektřinaNukleovou kyselinu můžeme pozorovat také pomocí změny jejich elektrických vlastností. Tato fyzikální metoda, rozvinutá právě českou elektrochemickou školou, přináší zatím netušené možnosti i v oblasti sledování vazby různých látek (léčiv) na molekulu DNA.

Autor: Dalibor Húska, Vojtěch Adam, René Kizek, Ústav chemie a biochemie Mendelovy lesnické a zemědělské univerzity v Brně
Rubriky:  Genetika
Publikováno:
Další články autora
Právě v prodeji
Tip redakce

Související články

Kvůli kovům v rostlinách se spojí vědci z 30 zemí

Kvůli kovům v rostlinách se spojí...

Kovy v rostlinách – to je téma, které budou společně řešit...
Novinka v trendu umělého masa: Strávníkům se dostanou na talíř krevety ze zkumavky…

Novinka v trendu umělého masa:...

Zbrusu nová náhrada za maso přichází z laboratoře singapurské...
Slunatec nádherný se náležitě představil

Slunatec nádherný se náležitě...

Ačkoliv měří sice jen něco málo přes 40 centimetrů a jeho hmotnost dosahuje...
Želvušky pod ochranou

Želvušky pod ochranou

Co do velikosti jsou bezobratlé želvušky (Tardigrada) skutečně malými tvory –...
Podařilo se jim poprvé získat DNA

Podařilo se jim poprvé získat DNA

Vědci mohou slavit, vůbec poprvé se jim totiž podařilo získat DNA hmyzu, jenž...
V lesích jižní Moravy je víc housenek než v tropech

V lesích jižní Moravy je víc...

Ubývání hmyzu je jedním z velkých ekologických problémů současnosti....
Čeští vědci varují: Kanál Dunaj-Odra-Labe je projektem plným rizik

Čeští vědci varují: Kanál...

Dva rektoři, dvanáct děkanů (včetně děkanů všech Přírodovědeckých fakult),...
Dobré zprávy z Austrálie: Tasmánských čertů ve volné přírodě přibývá

Dobré zprávy z Austrálie: Tasmánských...

Ďáblovi medvědovitému neboli tasmánskému čertovi zřejmě svítá na lepší časy....
Nezvaní hosté

Nezvaní hosté

Nejnovější vědecká zpráva varuje před rozšířením nepůvodních neboli invazivních...
Úsilí ochranářů představuje kůň Převalského

Úsilí ochranářů představuje kůň...

Desítky let trvající úsilí o záchranu koně Převalského (Equus ferus...

Nenechte si ujít další zajímavé články

Objevili obří kočku

Objevili obří kočku

Kočku skutečně úctyhodných rozměrů se podařilo objevit archeologům v...
Slunatec nádherný se náležitě představil

Slunatec nádherný se náležitě...

Ačkoliv měří sice jen něco málo přes 40 centimetrů a jeho hmotnost dosahuje ani...
Rudolf II. se kvůli přísné etiketě málem udusil

Rudolf II. se kvůli přísné...

Zaskočí mu sousto a marně se snaží opakovaným kašláním dostat ho ven. Chybí mu vzduch a...
Smrt kvůli pokroku: Znáte šest objevitelů, které zabil vlastní vynález?

Smrt kvůli pokroku: Znáte šest...

Některé věci dnes už používáme téměř automaticky. Než vznikly, museli...
Želvušky pod ochranou

Želvušky pod ochranou

Co do velikosti jsou bezobratlé želvušky (Tardigrada) skutečně malými tvory –...
Proč opustili Vikingové Grónsko?

Proč opustili Vikingové Grónsko?

Byl to slavný Erik Rudý, kdo osídlil tento ostrov. Vikingové zde...
Jak si plave robodelfín?

Jak si plave robodelfín?

Plavání s živými delfíny již dnes není nic výjimečného, v době, kdy...
Proč není klávesnice abecedně?

Proč není klávesnice abecedně?

Za ta léta jsme si na pořadí písmen na počítačové...
Pacienty po covidu chtějí sledovat plicní lékaři

Pacienty po covidu chtějí sledovat...

Měl by člověk, který prodělal koronavirovou infekci, jít za pneumologem a...
Poznejte své IQ

Poznejte své IQ

V našem profesionálně sestaveném testu ihned zjistíte přesné výsledky a obdržíte certifikát.